빛의 전파 방식: 반사, 모드, 개구수

광섬유는 하나의 도파로입니다: 유리 코어를 약간 더 낮은 굴절률의 유리가 감싸고 있어서, 경계면에 얕은 각도로 부딪히는 빛은 빠져나가지 않고 다시 반사됩니다. 이 하나의 사실로부터 싱글모드와 멀티모드 광섬유의 차이, 광원의 빛이 얼마나 들어오는지를 결정하는 수용각, 급한 굽힘이 빛을 새어나가게 하는 이유, 그리고 데이터시트가 언급하는 OM1–OM5와 OS2 등급이 비롯됩니다. 이 페이지는 링크 설계에 쓰이는 깊이까지 이 물리를 다룹니다.

광섬유의 구조

층	지름	재료	역할
코어	9 µm(싱글모드), 50 또는 62.5 µm(멀티모드)	게르마늄을 도핑한 실리카(높은 굴절률)	빛을 실어 나름
클래딩	125 µm	순수 또는 불소 도핑 실리카(낮은 굴절률)	전반사로 빛을 가둠
코팅	250 µm(또는 200 µm)	아크릴레이트	기계적 보호; 케이블 내에서 색상으로 구분
버퍼/자켓	900 µm 타이트 버퍼 또는 루스 튜브	플라스틱	취급용; 광학적 기능은 없음

코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이는 아주 작습니다 — 약 0.3–0.5 % — 하지만 빛이 축과 거의 평행하게 이동하기 때문에 이 정도로도 충분합니다.

전반사와 개구수

빛이 밀도가 높은 매질에서 낮은 매질로 건너갈 때는 법선에서 멀어지는 쪽으로 굴절합니다; 임계각을 넘어서면 전반사가 일어납니다. 광섬유에서 이는 축 주위의 원뿔 안에 있는 광선이 갇힌다는 뜻입니다. 공기 중에서 이 원뿔의 반각은 개구수로 정해집니다:

광섬유	NA	수용 반각	의미
싱글모드 G.652	≈ 0.12–0.14	≈ 7–8°	좁고 정확히 조준된 빔만 결합됨 — 레이저 광원만 가능
멀티모드 50 µm(OM2–OM5)	0.20	≈ 11.5°	넓은 수용각 — VCSEL과 LED가 쉽게 결합
멀티모드 62.5 µm(OM1)	0.275	≈ 16°	가장 넓음; 레거시

NA가 높을수록 결합은 쉬워지지만 모드 수와 모드 분산은 늘어납니다.

모드

모드란 도파로를 따라 이동할 수 있는 안정된 장 패턴입니다. 모드가 몇 개 존재하는지는 코어 크기, NA, 파장(V수)에 따라 달라집니다:

광섬유	850 nm에서의 모드 수	1310 nm에서의 모드 수	결과
9 µm 싱글모드	—(소수모드가 됨)	1	모드 분산 없음; 전송 거리는 감쇠와 색분산으로 결정
50 µm 멀티모드	수백 개	~100개	모드 분산이 대역폭 × 거리를 제한(분산과 대역폭)
62.5 µm 멀티모드	~1 000개	—	가장 나쁜 모드 분산

싱글모드 광섬유는 차단 파장보다 긴 파장에서만(G.652 기준 ≈ 1 260 nm) 싱글모드로 동작합니다: 850 nm에서는 여러 모드를 실어 나르므로, 싱글모드 광섬유에 850 nm SR 모듈을 쓰면 제대로 동작하지 않으며, “1310/1550에서 싱글모드”가 정해진 조합인 이유입니다(물리적 불일치).

스텝 인덱스와 그레이디드 인덱스

프로파일	굴절률 형태	적용 대상	효과
스텝 인덱스	코어 굴절률이 일정하고 클래딩까지 급격히 계단식으로 변함	싱글모드 광섬유	모드가 하나뿐이면 무관
그레이디드 인덱스	포물선형: 축에서 가장 높고 클래딩 쪽으로 갈수록 낮아짐	통신용 멀티모드 전체(OM1–OM5)	바깥쪽 광선은 더 멀리 가지만 더 빠르게(낮은 굴절률) 이동해 모드가 거의 동시에 도착 — 스텝 인덱스 대비 모드 분산이 100분의 1로 감소

그레이디드 프로파일의 품질이 OM3(2 000 MHz·km)와 OM4(4 700 MHz·km)를 가릅니다: 형상은 같지만 굴절률 곡선이 더 정밀합니다.

모드 필드 지름과 결합 손실

싱글모드 광섬유에서 빛은 9 µm 코어 안에만 갇혀 있지 않습니다; 모드 필드 지름(MFD)은 1310 nm에서 ≈ 9.2 µm, 1550 nm에서 ≈ 10.4 µm입니다. MFD가 서로 다른 두 광섬유, 또는 커넥터에서의 측면 오프셋은 빛을 잃습니다:

불일치	손실
1 µm 측면 오프셋(SMF)	≈ 0.2 dB
2 µm 측면 오프셋	≈ 0.8 dB
MFD 9.2 대 10.4 µm(G.652에서 G.657.B 또는 DSF로)	≈ 0.1–0.3 dB
50 µm에서 62.5 µm 코어로	≈ 0 dB(손실은 반대 방향에서 발생)
62.5 µm에서 50 µm 코어로	2–4 dB
SMF에서 MMF로	접합부에서는 ≈ 0 dB지만 모드가 여기됨 → 모드 잡음
MMF에서 SMF로	> 10 dB

그래서 “50과 62.5를 절대 섞지 말 것”과 “싱글모드와 멀티모드를 절대 섞지 말 것”이라는 규칙이 있습니다(커넥터와 광섬유 종류).

굽힘 손실

굽힘 종류	원인	효과
매크로벤드	반경이 ~30 mm(표준 SMF) 미만, 꽉 조인 케이블 타이, 문틈	빛이 클래딩 밖으로 빠져나감; 손실이 파장에 따라 급격히 증가 — 1310 nm에서는 정상인 링크가 1550 nm에서는 실패하며, 1310 nm이 놓치는 굽힘을 1625 nm 시험이 찾아냄
마이크로벤드	케이블 응력, 저온, 눌림으로 인한 미세한 축 일탈	광대역 손실 증가
내굴곡성 광섬유 G.657.A1/A2/B3	트렌치 보조 굴절률 프로파일	반경 10–7.5–5 mm 허용; 실내, FTTH 드롭, 고밀도 패널에 사용

멀티모드는 굽힘에 더 강하지만 고차 모드부터 먼저 잃으며, 이는 대역폭을 변화시킵니다.

광섬유 등급 한눈에 보기

등급	코어	파장	대역폭(850 nm에서의 EMB)	감쇠	표준
OM1	62.5 µm	850/1300	200 MHz·km	3.5/1.5 dB/km	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 µm	850/1300	500	3.5/1.5	TIA-492AAAB
OM3	50 µm	850(레이저 최적화)	2 000	3.0/1.5	TIA-492AAAC
OM4	50 µm	850	4 700	3.0/1.5	TIA-492AAAD
OM5	50 µm	850–953(광대역)	850에서 4 700, 953에서 2 470	3.0/1.5	TIA-492AAAE
OS1/OS1a	9 µm	1310/1550	—	1.0/1.0(실내 타이트 버퍼)	ISO 11801
OS2	9 µm	1310/1383/1550	—	0.4/0.4/0.4(루스 튜브, 저수분피크)	ISO 11801; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	OS2와 동일	—	OS2와 동일	내굴곡성
G.655/G.654	9 µm	1550	—	0.2/0.17	DWDM용 NZ-DSF; 장거리용 초저손실

PMD와 등급별 전송 거리: 전송 거리 표.

트랜시버에서의 의미

모듈의 커넥터 종류와 광섬유 종류는 설비와 일치해야 합니다: OM3/OM4에는 SR/SR4, 나머지 전부에는 OS2.
레이저의 런치 조건(VCSEL의 경우 엔서클드 플럭스)은 멀티모드 대역폭 수치가 유지되도록 표준으로 정의되어 있습니다 — 규격을 벗어난 모듈은 표가 약속하는 것보다 짧은 전송 거리를 냅니다.
멀티모드 광섬유에 싱글모드 모듈을 쓰는 방식(모드 컨디셔닝 패치 코드 사용)은 1G 시절의 기법이었습니다(OM1의 1000BASE-LX); 10G 이상으로는 확장되지 않습니다.

CodingBox에서는

모듈은 자신이 어떤 광섬유용인지 호스트에게 알려줍니다: 커넥터 코드, 파장, 그리고 SMF, OM1, OM2, OM3, OM4의 길이 필드 — 위와 같은 등급입니다. CodingBox는 이를 보여주므로 모듈이 벤치를 떠나기 전에 광섬유 문제를 확정할 수 있습니다(Check transceiver, 메모리 맵).

이런 원리가 만들어 내는 표준화된 광섬유 — ITU-T G.652~G.657, OM1–OM5 멀티모드 등급, 특수 광섬유, 서로 다른 광섬유 사이의 접합 손실, 설치된 광섬유를 식별하는 방법: 광섬유 종류.

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